固定式翻轉機中翻轉機構的綜合設計與制造

□ 朱 靂 王 達 王 玲 宋震宇 劉 燕

一、引言

作為當今社會中運用非常廣泛的傳動裝置，曲柄連桿機構是一種利用機械傳遞運動或動力的傳遞方式。本文所設計的曲柄連桿機構主要是由兩套結構相同的連桿機構作為傳動部分，其運動狀態一致，再通過連接一個額外的連桿，保證傳動部分能在電子的帶動下運轉。運動副是低副，運動副元素為面接觸，便于潤滑，壓強較小，能夠承受較大載荷，其幾何形狀較簡單，便于加工制造。本文以可變功率電機為模擬動力源的組裝機構為基礎，運用曲柄連桿機構的傳動方式，配合兩個翻轉板，再設計一種新的反轉機構傳動方式，并用UG·NX6.0軟件進行三維建模和運動仿真，并最終將一個高效率、高精度和高實用性的可變速的循環翻轉機構應用于實際機械生產中的流水線上，以達到節約能耗與時間的目的。本項目的目的主要是通過靜態原理與動態演示，經過不斷的探索、創新和實踐，充分體現出曲柄連桿式翻轉機構在流水線生產中的優越性與穩定性，為機械工業化的發展做出卓越的貢獻。

二、傳動原理的創新設計

設計原理是利用“同一圓弧上的圓周角大小是圓心角的一半”。如圖1，具體作圖步驟如下:一是按公式θ=∠C1AC2=|180-∠B1AB2|計算出極位夾角;二是任意選定一點作為遙桿的固定轉動副D的位置，并按搖桿CD的長度c和搖桿擺角Ψ作為搖桿的兩個極限位置，得C1和C2點;三是連C1和C2，并分別自C1和C2作與C1C2夾角90°-θ的射線，這就確保了∠C1OC2=2θ，得C2O和C1O的交點O;四是以O為圓心，C1O為半徑作圓C，則圓上任何一點都可以選為鉸鏈四桿機構的另一個固定轉動副A，由于“同一圓弧上的圓周角大小是圓心角的一半”，肯定可以滿足∠C1AC2=θ。

有必要指出，如果在設計鉸鏈四桿機構時要得到唯一的解，還必須有輔助條件:一是如果對機架AD的長度有要求，則可以以D為圓心，以AD長度為半徑作圓弧，與已經作出的以O為圓心的圓H的交點就是A的位置;二是如果對曲柄AB的桿長有要求，則作出C1C2的垂直平分線與已經作出的以O為圓心的圓交于M，作出相距MC2的距離為AB桿長L1的C2MM的平行線交OM的延長線與E，以M為圓心，以EM為半徑作圓弧，與以O為圓心的圓H的交點就是應選的A點，見圖1。三是如果對連桿長度BC的長度有要求，則以C2為圓心，以連桿BC的長度L2為半徑作圓弧，再從M點作上述圓弧的切線交點就是B2點，C2B2的延長線與以O為圓心圓H的交點就是應選的A點，見圖2。

圖1 按行程速比系數設計

圖2 按輔助條件作圖

圖3 裝配效果圖

三、平面四桿機構的解析法設計

平面連桿機構設計的解析法具有精度高，可以用計算機進行高速處理的優點。隨著計算機技術的發展，解析法正日益成為設計工作的主角。

圖4

在圖4所示的鉸鏈四連桿機構中，已知兩連桿AB和CD的 3 對對應位置 φ1，ψ1;φ2，ψ2;φ3，ψ3。要求確定各構件的長度l1，l2，l3，l4。現以解析法求解，即以機構參數來表達各構件間的運動關系并按列出的方程來求解未知參數。

由于鉸鏈四連桿機構兩連架桿的運動關系取決于各桿的長度比例關系而不是每個桿的具體長度，為簡化計算，設以構建AB的長度為基準，則得

從圖中可見機構在任意位置時各構件的長度關系。取各構件在坐標上的投影得

引入基準長度比例關系得

把式(2)兩式的兩邊平方后相加并令:

則得

把3對對應轉角關系代入式(4)得

cosφ1=P0cosψ1+P1cos(ψ1- φ1)+P2

由此可解出P0、P1、P23個參數，隨后代入式(3)即可求得各構件桿的相對長度，從而完成設計。

四、UG·NX建模設計

本項目主要是通過UG·NX6.0軟件進行三維建模與運動仿真來模擬翻轉機構的工作狀態和運動情況。下面簡單介紹一下整個裝置中主要零部件的建模過程與步驟，以及整體裝配的最終形態，如圖5所示。

(一)曲柄連桿建模。其是整個裝置的傳動部分，運用連桿機構的原理，在支撐板的兩側分別設計一套連桿裝置，保證運動過程的流暢性。

(二)整體機架建模。將傳動部分安裝在支撐架上，用兩塊垂直的板作為整個裝置的支撐，在用一塊垂直底座的板料作為對主傳動軸的固定，保證機構傳動的穩定性。

(三)翻轉板建模。兩塊翻轉板是整個裝置的主體部分，用于對要加工的板料進行180度的翻轉，兩個翻轉板的初始狀態是水平放置的，將要翻轉的板料放置在任一塊翻轉板上，然后在電機的帶動下使兩塊板先運動到豎直狀態，然后又恢復到水平狀態，從而達到板料的翻轉。

五、曲柄連桿機構的模型設計與制作

此翻轉機構的設計圖紙如圖5所示。

圖5 設計圖紙

圖6 電機基本尺寸

六、動力系統

該項目的翻轉機構的動力系統采用一臺電壓為12V直流電機，電機具體數據如下:型號:JGB37-550;電壓:DC12V;直徑:Φ37mm;力矩:60kg·cm;額定電流:1.6A;單重:380g;空載轉速:16r/min;負載轉速:14r/min;堵轉力矩:260kg·cm。電機基本尺寸如圖6所示。

實際轉速:可調，分為12V，6V兩個檔級。由于機構運動時需要完成翻轉板角度的設定且在轉動過程中要帶動曲柄使翻轉板連續轉動，所以本電機的運作是單獨工作，逐步完成“電機轉動→曲柄轉動→搖桿擺動→翻轉板運動”的傳動過程，能夠實現自由控制該裝置的開關，既可以滿足現代化大規模生產實踐的需要，也滿足小規模單件產品的加工，并且可以實現無限數次的循環。操作者可以根據加工的需求來選擇適合的操作模式，可以靈活調配工作時間。

七、結語

通過這個項目的研究與測驗我們發現基于曲柄連桿機構的反轉機構的設計可以應用到實際機械生產中的流水線上，該設計原理具有循環運動，應用范圍廣，實用性強，傳動穩定，外形美觀，造價低廉等特點，在實際流水線生產作業中也可以發揮重要作用。對于加工制作實體產品，基本滿足設計需要，運行結果令人十分滿意。希望能通過此次創新設計，切實解決傳統反轉機構中的一些弊端，為基層作業人員提供一個更加可靠、安全和高效的工作裝置和工作環境，解放基層工作人員的勞動力，提高生產效率，也為更多中小型企業生產線加工提供更好的裝置，也希望本項目在今后的發展中更切實地應用于實踐中。

［1］何小柏.機械設計［M］.重慶:重慶大學出版社，1998

［2］李仲生等.機械設計基礎［M］.北京:高等教育出版社，2006

［3］徐正好等.制造技術基礎實訓教程［M］.北京:機械工業出版社，2008